Delphi图像处理 -- 填充浮雕

阅读提示：
《Delphi图像处理》系列以效率为侧重点，一般代码为PASCAL，核心代码采用BASM。
《C++图像处理》系列以代码清晰，可读性为主，全部使用C++代码。
尽可能保持二者内容一致，可相互对照。 本文代码必须包括文章《Delphi图像处理 -- 数据类型及公用过程》中的ImageData.pas单元 这个填充浮雕效果过程代码已经完成好几天了，但是一直没敢在BLOG上发表，因为这是我在研究Photoshop浮雕效果做实验时，无意中写的一段代码，当时就感觉这个效果虽然不是我想要的Photoshop浮雕效果，但比Photoshop浮雕效果的应用价值应该不会差，可以说是各有特色。只是当时感觉处理速度较慢，同时顾虑该浮雕效果是我妙想天开，发表后会不会有引起嘲笑。经过了几天的改进和原理论证，我觉得该浮雕效果从原理上是说得通的，而改进后的速度一般情况下比彩色浮雕处理快，在浮雕深度较小（< 8）的时候，比灰色浮雕处理还快，所以还是决定发表在这里，供大家讨论其实用性，或给出改进意见。至于这种浮雕效果的名称，刚开始时因其效果类似石雕，准备取名石雕效果，经改进后，可用任何颜色或者图案进行填充浮雕画面，所以取名填充浮雕效果。下面先给出浮雕过程处理代码：

procedure GetSrcColor;
asm
    push      esi           // esi = src.Scan0
    mov       eax, ecx
    sar       eax, 12
    imul      eax, ebx
    add       esi, eax      // esi += (y / 4096 * src.Stride)
    mov       eax, edx
    sar       eax, 12
    shl       eax, 2
    add       esi, eax      // esi +=  (x / 4096 * 4)
    call      _GetBilinearColor
    movd      eax, xmm0
    movd      mm0, eax
    punpcklbw mm0, mm7      // return mm0 = ARGB (word * 4)
    pop       esi
end;

// 实填充浮雕。Data 图像数据结构, Angle 角度, Size 长度, Color 填充色
procedure ImageSolidSculpture(var Data: TImageData; Angle: Single;
  Size: LongWord; Color: TARGB);
var
  x, y, Radius: Integer;
  xDelta, yDelta: Integer;
  width, height: Integer;
  dstOffset, divSize: Integer;
  src: TImageData;
begin
  if Size > 128 then Size := 128;
  divSize := DivTab[Size];
  Radius := (Size + 1) shr 1;        // 图像边框扩展半径
  Angle := PI * Angle / 180;
  xDelta := Round(Cos(Angle) * 4096);
  yDelta := Round(Sin(Angle) * 4096);
  x := (Radius shl 12) - xDelta * Size div 2;
  y := (Radius shl 12) - yDelta * Size div 2;
  width := x + (Data.Width shl 12);
  height := Data.Height;
  if Data.AlphaFlag then
    ArgbConvertPArgb(Data);
  src := _GetExpandData(Data, Radius);
  asm
    push      esi
    push      edi
    push      ebx
    mov       eax, Data
    lea       edx, src
    call      _SetCopyRegs
    mov       dstOffset, ebx
    mov       eax, Size       // mm3 = word * 4 = Size div to mul
    movq      mm3, qword ptr MMDivTab[eax*8]
    pxor      xmm7, xmm7
    pxor      mm7, mm7        // xmm7 = mm7 = 0
    movd      mm2, Color      // mm2 = word Color
    punpcklbw mm2, mm7        
    mov       ebx, src.Stride
    mov       ecx, y          // for (; y < Height; y += 4096)
@@yLoop:                      // {
		mov       edx, x          //   for (; x < Width; x += 4096)
@@xLoop:                      //   {
    push      edx
    push      ecx
    push      edi             //     x1 = x, y1 = y
    pxor      mm1, mm1
    mov       edi, Size       //     for (i = Size - 1; Size > 0; i --)
@@addLoop:                    //     {
    call      GetSrcColor     //       mm1 += GetSrcColor(x1, y1)
    paddw     mm1, mm0
    add       ecx, yDelta     //       y1 += yDelta
    add       edx, xDelta     //       x1 += xDelta
    dec       edi
    jnz       @@addLoop       //     }
    call      GetSrcColor     //     mm0 = GetSrcColor(x1, y1)
    pmulhuw   mm1, mm3        //     mm1 /= Size
    psubw     mm1, mm0        //     mm1 -= mm0
    paddw     mm1, mm2        //     mm1 += Color
    packuswb  mm1, mm7
    pop       edi
    pop       ecx
    pop       edx
    mov       al, [edi].TARGBQuad.Alpha
    movd      [edi], mm1      //     *edi = mm1
    mov       [edi].TARGBQuad.Alpha, al
    add       edi, 4          //     edi ++
    add       edx, 1000h
    cmp       edx, width
    jl        @@xLoop         //   }
    add       edi, dstOffset
    add       ecx, 1000h
    dec       height
    jnz       @@yLoop
    emms
    pop       ebx
    pop       edi
    pop       esi
  end;
  FreeImageData(src);
  if Data.AlphaFlag then
    PArgbConvertArgb(Data);
end;

// 图案填充浮雕。Data 图像数据结构, Angle 角度, Size 长度, FillData 填充图像数据结构
procedure ImageTextureSculpt(var Data: TImageData; Angle: Single;
  Size: LongWord; const FillData: TImageData);

  // 调整fillData宽度和高度为其最大2的幂,并拷贝到Result
  function AdjustFillData: TImageData;
  asm
    push    esi
    push    edi
    push    ebx
    push    eax
    push    eax
    push    eax           // NewImageData Result param
    mov     edi, fillData
    bsr     ecx, [edi].TImageData.Width
    xor     eax, eax      // mov eax, 1
    bts     eax, ecx      // shl eax, cl (width max bit)
    bsr     ecx, [edi].TImageData.Height
    xor     edx, edx      // mov edx, 1
    bts     edx, ecx      // shl edx, cl (height max bit)
    mov     ecx, pf32bit
    call    NewImageData  // Result = NewImageData(width, height, pf32bit)
    pop     eax
    mov     edx, edi
    call    _SetCopyRegs
  @@cpyLoop:
    push    ecx
    rep     movsd
    pop     ecx
    add     esi, eax
    dec     edx
    jnz     @@cpyLoop
    pop     eax
    // (Result.Width - 1) * 4: 宽度的最大余数*4,作为x*4的掩码
    mov     edx, [eax].TImageData.Width
    dec     edx
    shl     edx, 2
    mov     [eax].TImageData.Width, edx
    // Result.Height - 1: 高度的最大余数作为y的掩码
    dec     [eax].TImageData.Height
    pop     ebx
    pop     edi
    pop     esi
  end;

var
  x, y, Radius: Integer;
  xDelta, yDelta: Integer;
  width, height: Integer;
  dstOffset: Integer;
  src, back: TImageData;
begin
  if Size > 128 then Size := 128;
  Radius := (Size + 1) shr 1;        // 图像边框扩展半径
  Angle := PI * Angle / 180;
  xDelta := Round(Cos(Angle) * 4096);
  yDelta := Round(Sin(Angle) * 4096);
  x := (Radius shl 12) - xDelta * Size div 2;
  y := (Radius shl 12) - yDelta * Size div 2;
  width := x + (Data.Width shl 12);
  height := Data.Height;
  if Data.AlphaFlag then
    ArgbConvertPArgb(Data);
  src := _GetExpandData(Data, Radius);
  back := AdjustFillData;
  asm
    push      esi
    push      edi
    push      ebx
    mov       eax, Data
    lea       edx, src
    call      _SetCopyRegs
    mov       dstOffset, ebx
    mov       eax, Size       // mm3 = word * 4 = Size div to mul
    movq      mm3, qword ptr MMDivTab[eax*8]
    pxor      xmm7, xmm7      // xmm7 = mm7 = 0
    pxor      mm7, mm7        
    mov       ebx, src.Stride
    mov       ecx, y          // for (; y < Height; y += 4096)
@@yLoop:                      // {
		mov       edx, x          //   for (; x < Width; x += 4096)
@@xLoop:                      //   {
    push      edx
    push      ecx             
    push      edi
    push      edx
    push      ecx             //     x1 = x, y1 = y
    mov       edi, Size       //     for (i = Size - 1; Size > 0; i --)
    pxor      mm1, mm1        //     {
@@addLoop:
    call      GetSrcColor     //       mm1 += GetSrcColor(x1, y1)
    paddw     mm1, mm0
    add       ecx, yDelta     //       y1 += yDelta
    add       edx, xDelta     //       x1 += xDelta
    dec       edi
    jnz       @@addLoop       //     }
@@1:
    call      GetSrcColor     //     mm0 = GetSrcColor(x1, y1)
    pmulhuw   mm1, mm3        //     mm1 /= Size
    psubw     mm1, mm0        //     mm1 -= mm0
    pop       eax
    pop       edx
    shr       eax, 12         //     fy = (y / 4096) & back.Height
//    shr       edx, 12         //     fx = (x / 4096) & back.Width
    shr       edx, 10
    and       eax, back.TImageData.Height // height is y mask
    and       edx, back.TImageData.Width  // width is x*4 mask
    bsr       ecx, back.TImageData.Stride
    shl       eax, cl
//    shl       edx, 2
    add       eax, edx
    add       eax, back.TImageData.Scan0
    movd      mm0, [eax]      //     mm0 = FillData.Scan0[fy * back.Stride + fx * 4]
    punpcklbw mm0, mm7
    paddw     mm0, mm1        //     mm0 += mm1
    packuswb  mm0, mm7
    pop       edi
    pop       ecx
    pop       edx
    mov       al, [edi].TARGBQuad.Alpha
    movd      [edi], mm0      //     *edi = mm0
    mov       [edi].TARGBQuad.Alpha, al
    add       edi, 4          //     edi ++
    add       edx, 1000h
    cmp       edx, width
    jl        @@xLoop         //   }
    add       edi, dstOffset
    add       ecx, 1000h
    dec       height
    jnz       @@yLoop
    emms
    pop       ebx
    pop       edi
    pop       esi
  end;
  FreeImageData(back);
  FreeImageData(src);
  if Data.AlphaFlag then
    PArgbConvertArgb(Data);
end;

从处理流程看，填充浮雕和彩色浮雕、灰色浮雕是一样的，但在像素处理上是不相同的。下面是用一个用45度角，2像素深度浮雕差值计算矩阵图来说明几种浮雕效果像素处理的差异

各矩阵中，中间的点可以看作为要处理的像素。灰度浮雕固定地取左上角点和右下角的差值加上128背景值 (无论深度多大，都是如此，只是矩阵中间的0多少的问题)，如此一来，差异小的像素趋向于背景色，差异大的像素形成“黑白分明”的阴线和阳线，这就成了灰色的浮雕效果，浮雕深度越大，“黑白分明”的效果就越明显，当深度达到一个比较大的值时，画面上会形成加强了的正、负片以及图像原色彩3层画面的共存状态；彩色浮雕也是固定的取邻近3个点的值减去2倍右下角点的值，由于被减的点数大于减的点数，在雕刻阴影形成时保留了很大的亮度，这就相当于给各像素加了一个不固定的背景值，所以形成彩色浮雕效果；而填充浮雕的则是取主对角线除右下角外的各点之和的平均值，减去右下角点的值，再加上填充背景色，在背景色固定的前提下（假定128），会形成类似灰度浮雕的效果，但是由于是取主对角线除右下角外的各点之和的平均值，就相当于先对像素点做了一定的表面模糊后再减去右下角点的值，所以，当雕刻深度增大时，不会形成明显的“黑白分明”效应，而是有一定的模糊过渡带，即类似阴影的半影调。下面是以45度角，深度为10，背景色128的灰度浮雕和填充浮雕效果比较图：

左上角是原图，左下角是灰度浮雕效果图，右上角是填充浮雕效果图，因为填充浮雕在浮雕效果处理前对原图作了灰度处理，为便于比较，所以右下角是灰度化后的灰色浮雕效果图。从比较图上可以看出，当浮雕深度较大时，无论是否去色，灰度浮雕效果的阳线带和阴线带都很明显，而填充浮雕则存在过渡半影调，所以，看起来有石雕的效果。另外，从灰色背景上看，填充浮雕效果明显的平坦于灰色浮雕效果，这是因为填充浮雕处理有一定的表面模糊作用的缘故。填充浮雕可以以任意颜色和图案作为背景填充，这就使得填充浮雕过程能产生各种效果的浮雕图，为了便于使用，我把填充浮雕过程写成了2个过程，分别用来处理实色填充和图案填充。下面先对实色填充作几个图片处理测试：TGpBitmap测试代码（仿玉石浮雕效果）：

procedure TForm1.Button3Click(Sender: TObject);
var
  bmp: TGpBitmap;
  g: TGpGraphics;
  data: TImageData;
begin
  bmp := TGpBitmap.Create('..\media\graysource.bmp');
  g := TGpGraphics.Create(Canvas.Handle);
  g.DrawImage(bmp, 0, 0);
  data := LockGpBitmap(bmp);
  ImageSolidSculpture(data, 45, 10, $AEC0C8);
  UnlockGpBitmap(bmp, data);
  g.DrawImage(bmp, 0, data.Height);
  g.Free;
  bmp.Free;
end;

效果图如下，上面是原图，下面左边是45度，深度为5的浮雕效果，下面右边是45度，深度为10的浮雕效果。 原图:



你是否觉得象玉石浮雕？特别是右边图中那些重叠着的叶片， 真有着一种晶莹剔透的感觉！ 下面是以角度30，深度8，填充颜色为$A5140A的仿玛瑙色浮雕效果图，测试代码就不贴了：

TBitmap填充图案测试代码:

procedure TForm1.Button4Click(Sender: TObject);
var
  bmp, fbmp: TBitmap;
  data, fdata: TImageData;
begin
  bmp := TBitmap.Create;
  fbmp := TBitmap.Create;
  bmp.LoadFromFile('..\media\graysource.bmp');
  fbmp.LoadFromFile('..\media\back-2.bmp');
  data := GetBitmapData(bmp);
  fData := GetBitmapData(fbmp);
  ImageTextureSculpt(data, 45, 5, fData);
  Canvas.Draw(0, 0, bmp);
  fbmp.Free;
  bmp.free;
end;

下面是使用4种不同填充图案调用ImageTextureSculpture过程分别形成的浮雕效果图（原图在文章前面），角度50，浮雕深度从左上角开始，依次是8，6，5，7：

填充浮雕前也可以不进行灰度处理，有时还能产生意想不到的效果，下面是使用图案填充的2幅效果：填充背景图案：





通过几天的研究和测试，发现浮雕角度、深度和填充色（图案）的选择，应根据图片的实际情况确定，如上图中，左上角的填充图案颜色较深、较杂，这就需要把浮雕深度用大一点，反之，如左下角就要相应小一点；图像较平淡的，不宜用很深的浮雕；浮雕角度与图像光照方向基本对应；填充颜色（图案）也应按图像具体选用，如前面的玉雕效果图，如果换成其它图片，效果不一定那么好，反过来也可以说，那张图用玛瑙色效果就差多了。关于填充效果图的介绍就到此为止，欢迎朋友们提出改进意见。最后重申一下，该效果确是本人无意中搞出来的，如果已经有类似的方法，纯属巧合，本人不和你争“专利权”了。

《Delphi图像处理》系列使用GDI+单元下载地址和说明见文章《GDI+ for VCL基础 -- GDI+ 与 VCL》。
因水平有限，错误在所难免，欢迎指正和指导。邮箱地址：maozefa@hotmail.com
这里可访问《Delphi图像处理 -- 文章索引》。